納米晶合金的案例
材料頂刊《Materials Today》：一種新的納米晶合金設計和結構調控概念！
納米晶軟磁合金具有獨特的α-Fe（Si）和非晶基體的雙納米相鑲嵌結構，兼具高飽和磁化強度、優異的軟磁性能和低磁致伸縮系數，其應用是解決硅鋼電器的高損耗，非晶器件的高噪聲和大體積等問題的最佳方案，因而具有廣闊的應用空間。然而，為了構建均勻細密的納米晶結構，通常都需要添加大量的促進形核和抑制晶粒長大元素，這些非磁性元素的添加大大降低了磁化強度，提高了生產工藝要求，增加了原材料的成本。
近日，香港城市大學劉錦川院士、王安定研究員和新疆大學李強教授等人提出了一種新的納米晶合金設計和結構調控概念，即設計不含促進形核和抑制擴散元素的新型合金，通過在臨界冷卻速率下快淬預制高密度的形核點，并通過類金屬瞬態富集界面以細化晶粒，獲得了均勻細密的納米晶結構。作者通過巧妙設計，僅以4.6wt.%的常見類金屬元素（B、Si、P和C）組合添加，即達到了穩定快淬非晶相和納米晶間基體相的作用，調和了飽和磁感應強度與形成能力間矛盾的同時，大幅提高了合金的高磁感納米晶合金工業化的可行性，還降低了合金的成本。
這種獨特的設計相當于將同等鐵含量的硅鋼納米晶化，去除晶界對軟磁性能的惡劣影響，并保留了α-Fe相的超高飽和磁感應強度。新概念設計的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 達1.87T，接近硅鋼，其均勻、細密的非晶-納米晶雙相結構使其具有優異的軟磁性能。這種異質結構和輕合金化策略為下一代磁性材料的開發提供了思路和借鑒。相關研究成果以題為Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability發表在材料學頂級期刊Materials Today上，IF=26.416。
圖1 合金設計思路。
展開 MIT新發現: 熱穩定相變納米晶合金中的高溫誘發細晶現象
【小結】
納米晶Fe-Au合金的反直覺行為回避了晶粒生長的常規范式：通過將再結晶類似的事件（相轉變）和穩定納米晶合金設計標準相結合，可在高溫下得到一個更低且穩定的晶粒大小。相轉變使體系煥然一新，得到新的平衡晶粒尺寸，比前述的確定溶質的低溫相尺寸更小。作者證明這一行為可以循環多次，因此該方法通過晶界偏析提供了一個納米晶熱力學穩定性的臨界測試。同時，還使得不同溶質的合金設計中部分或全部相穩定，從而可在較寬的溫度范圍內保持納米晶相。這種合金可在較高溫度下表現出優異的力學性能，可能優于低溫下的性質。基于所觀察的Fe-Au晶粒長大，可推知合金通過轉變在高溫下顯著強化，通過在轉變溫度周圍的循環處理，力學性能可以得到重復性切換。這是一項可應用于高溫而不需要耐火材料的新方案。
文獻鏈接：Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.121.145503）
來源：材料人
展開 .: 納米晶Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金中穩定且良好的超彈性和彈
【小結】
本文系統地研究了經過熱軋（HR），冷軋（CR），在673K下時效5分鐘（CR673）后冷軋，在873K下時效5分鐘（CR873）后冷軋的各種熱機械處理的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的轉變特性，微觀組織，力學行為和原位結構演變。發現：
（1）HR和CR873試樣具有微尺度晶粒，在加載過程中顯示出應力誘導的典型一級B2-B19-B19'MT，但在卸載過程中它們是不可逆的；
（2）由于冷軋引入的致密缺陷和非晶相，在CR試樣中部分地抑制了熱應力誘導的MTs。CR試樣顯示出非線性超彈性；
（3）具有納米級晶粒（~40nm）的CR673樣品顯示出彌散的B2-B19-B19'MT。在750MPa的拉伸應力下獲得了具有相對低的σc（~260MPa）和應力滯后（~150MPa）的大可逆應變~6.8％；
（4）CR673試樣在~500 MPa的拉伸應力下具有90 MPa小應力滯后的4.9％的穩定超彈性應變，和穩定的彈性熱效應（ΔT~17.4K）。超過5000個機械循環后，超彈性和彈性熱效應的惡化可忽略不計。在Ti-44Ni-5Cu-1Al CR673樣品中獲得了高能效值（η~11）。
文獻鏈接：Stable and large superelasticity and elastocaloric effect in nanocrystalline Ti-44Ni-5Cu-1Al (at%) alloy（Acta Mater.,2018, DOI:10.1016/j.actamat.2018.08.003）
來源：材料人
展開 突破三大難點！高速電機 + 前沿制造技術，撐起工業交通電動化未來
</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">1、材料與工藝創新</strong></p><p>1）新型磁性材料</p><p>納米晶合金：用于特斯拉Model 3 等車型，鐵損降低 42%~60% ，適用于高頻高轉速電機。</p><p>無稀土永磁：如日立開發的含鈰磁體，耐高溫、成本低，廣汽已應用于 混動系統。</p><p>超導材料：日本已開發出 300kW超導電機，扭矩密度達傳統電機的 6 倍， 未來或用于電動航空。</p><p>2）先進制造工藝</p><p>3D打印：博世聯合MIT開發 3D打印定子，材料利用率提升至 92%。</p><p>扁線油冷技術：華為DriveONE采用超薄扁線，功率密度達 4.5kW/kg，溫 升顯著降低。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">2、電機結構革新</strong></p><p>1）軸向磁通電機</p><p>磁通方向平行于轉軸，功率密度高達 5.8kW/kg ，體積縮小 30% 。法拉利 SF90 已搭載YASA軸向磁通電機，奔馳、雷諾等也計劃量產。</p><p>2）輪轂電機</p><p>集成于車輪內，支持四輪獨立驅動。Arrival商用車采用ProteanDrive電機， 結構緊湊，適用于城市物流車。</p><p>3）開關磁阻電機</p><p>無稀土設計，結構簡單、耐高溫。Enedym和Turntide已將其應用于商用 車，成本低于永磁電機 15%。
展開 
《AFM》：納米晶硅納米棒的熱性能研究！
綜上所述，本文用幾種不同的實驗技術研究了納米硅OM晶腔的結構和熱學性質。達克費爾德透射電鏡分析表明，不同的退火溫度會導致不同的晶粒尺寸分布，從而影響材料的熱性能。本文使用微時域熱反射率來測量納米晶薄膜的散熱速率，觀察到與單晶薄膜相比有很大的降低。這歸因于晶界上的聲子散射。通過使用泵浦探測技術來測量局域光學共振的冷卻速率，我們能夠在不改變結構的情況下提取納米棒中的熱衰減率。所得結果與熱反射技術的結果一致，表明這種新的非接觸式方法對所有具有光學腔體的納米結構都具有很強的應用潛力。（文：SSC）
展開 哈工程Scripta、MSEA：基于晶界偏聚和位錯調控開發低合金高強塑鎂合金！
為準確研究晶界偏聚及其影響，研究者對實驗進行了精心設計，排除其他因素的影響，包括初始晶粒尺寸、織構、晶界類型以及第二相，基于負混合焓和最小化晶界位錯彈性應變原則，發現了添加微量RE元素可以顯著提高鎂合金中常用元素（Zn和Ca）的偏聚濃度，有效抑制退火過程中的晶粒長大（圖1）。另外，也證實晶界偏聚濃度的增加可以提高擠壓合金的屈服強度。利用微量稀土元素添加提高晶界偏聚水平，為設計和開發低合金化高性能鎂合金提供了新思路。（MSEA831 (2022) 142259）
圖1 (a) 無稀土鎂合金和 (c) 含微量稀土鎂合金的晶界偏聚含量; (b) 無稀土鎂合金和 (d) 含微量稀土鎂合金在相同退火條件下的晶粒長大情況；（e）不同退火狀態下含/不含稀土鎂合金的屈服強度。
基于以上晶界偏聚研究，研究者通過合金化設計結合低溫低速擠壓+退火工藝，綜合利用晶界偏聚和位錯調控，提出一種開發低合金化高強塑性鎂合金的新方法。首先,采用低溫低速擠壓工藝制備出超高強度低合金化Mg-2Sm-0.8Mn-0.6Ca-0.5Zn（wt%）合金，該擠壓合金屈服強度達到453MPa，但塑性較差（延伸率僅3.2%）（圖2），超高的強度主要源于擠壓過程中形成的含有高密度殘余位錯和納米錳沉淀的細晶結構。然后，協同考慮位錯回復、靜態再結晶和晶粒生長等因素，采用350°C作為退火溫度，退火15分鐘后的合金（HT15合金）表現出高強度和高塑性的優異組合，其中，屈服強度為403MPa，伸長率為15.5%（圖2）。
展開 研究 \\ 超細晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能
然而，納米級孔隙對熱電性能的作用目前仍存在爭議，因為在某些情況下，電導率的降低速率比熱導率的降低速率快得多，這將導致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質有關。
02
成果掠影
納米晶粒和孔隙作為兩種常見的微結構缺陷，能夠阻礙聲子的傳輸。然而，迄今為止，納米晶粒在高溫下的穩定性以及多孔性在提高熱電優值ZT方面的可行性仍是熱電領域關注的問題。近日，哈工大材料學院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學、中科院物理研究所組成的研究團隊首次利用超細晶和多孔結構的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，在α-MgAgSb中設計的主要由納米晶區域內的超細晶粒和隨機分布的孔隙組成的微結構，在300?K時，產生了超低的晶格熱導率0.46?W/mK，突破了估計最小值的限制，為熱電制冷性能優化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”為題發表在《Materials Today》上。
03
圖文導讀
圖1. 微觀結構演變的原理圖、改進的熱電性能、模塊的冷卻性能。
展開 梯度納米晶材料的本構建模及微結構調控
梯度納米結構材料，金屬學報 51（2015）1-10）
在國家自然科學基金項目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構建模及微結構設計》（項目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團隊在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復雜位錯演化機制的尺寸相關晶體塑性本構模型，并引入了晶粒長大機制和損傷演化模型。依托馬普鋼鐵所Franz Roters教授團隊開發的多尺度材料模擬平臺DAMASK，實現了本構模型的有限元移植。
梯度納米晶粒結構材料有龐大的晶粒數目，該研究采用均勻化方法簡化有限元模型，可有效地對宏觀尺寸試樣的力學響應進行計算模擬。模擬結果表明，該模型可以很好地描述材料的單拉力學行為與梯度微結構的關聯。根據變形云圖分析，表層納米晶的晶粒長大機制可以有效緩解應力的不均勻分布，協調塑性變形，使得材料表層不容易發生應變局域化，延緩了頸縮的發生。
圖2 考慮和不考慮晶粒長大機制的應力云圖和應變云圖
根據損傷演化云圖分析，損傷起始于粗晶區，逐漸擴展到梯度區，表層納米晶由于高強度，使得損傷很難發生。基于該模型，研究者進一步調控梯度層的厚度分數和粗晶層的晶粒尺寸，預測了不同梯度微結構下的單拉力學響應，給出了強度和韌性的分布圖。模擬結果表明梯度納米晶粒材料的強度—韌性分布呈現出近似線性關系，與實驗揭示的規律一致。
圖3 不同應變下的損傷演化云圖
圖4 應力應變曲線和強度—韌性分布圖
該研究充分揭示了梯度納米晶粒材料強韌性匹配的內在機理，在梯度結構材料的本構建模、微結構優化設計、性能調控方面具有一定的指導意義。
展開 我國學者發明新型納米晶鐵電材料結構
器件測試結果表明：和HfO2基鐵電器件相比，基于該新型納米晶鐵電材料的鐵電晶體管可在柵介質厚度更薄的情況下實現穩定的負電容效應，且晶體管亞閾值擺幅突破了60mV/decade物理極限。論文工作為實現3~5納米負電容FinFET奠定了材料基礎，也為我國“后摩爾時代”新器件研發提供了具有自主知識產權的技術方案。
（來源：信息科學部）
武漢大學合作實現金屬納米晶芯片高速打印！
論文題為“Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning in Air Using MOFs” （《空氣環境下基于MOF的納米金屬激光冶煉及圖案化》），被選為當期雜志封面，博士后江浩慶為論文的第一作者。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b00355
金屬納米晶粒是制備光電子器件的重要原料。但金屬納米晶粒活性高、極易被氧化，制備過程往往需要溶液、真空或惰性氣氛保護，因此制造工藝復雜，難以大規模應用。化學與分子科學學院鄧鶴翔教授與工業科學研究院程佳瑞教授團隊合作，采用金屬有機框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作為原料，利用激光成功制備了顆粒大小均一的金屬納米晶粒。通過程序控制激光的開閉和光斑的移動實現了圖案的制備，僅數十秒即可打印出由金屬納米晶粒構成的晶圓級別大小的芯片，整個過程完全在空氣中進行，所需激光功率不到5瓦，非常適合規模化生產。
激光照射金屬有機框架材料（MOF）產生金屬納米晶粒及芯片打印
MOF由金屬與含碳有機配體構筑。目前大部分研究集中在MOF中有機成分上，而結構中豐富的金屬離子尚未充分利用。此項工作提出了激光納米金屬冶煉及圖案化方法（Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning, 簡稱nano-LaMP）：以MOF為原料實現了空氣環境下的金屬納米顆粒制備和同步圖案打印。在反應過程中，MOF晶體內有序排列的金屬離子和有機配體分別作為金屬源和還原劑。納秒脈沖激光器則負責將能量精準地投送到指定位置，為金屬還原提供能量。
展開 《Nature Commun》：X射線將納米晶的分子-宏觀尺度聯系起來！
該方法同時考慮了來自晶體的布拉格散射和來自非晶相的擴散散射。它產生了反應混合物中所有組分原子間距離的實空間演示。通過這種方式，揭示了核形成過程中的局域有序，納米晶體的初始生長，以及納米顆粒表面溶劑分子的重組。可以用小角度X射線散射(SAXS)，探測構建塊到上部結構的自組裝。如此，從原子到宏觀的長度尺度都可以通過X射線技術得到。
在此，研究者結合了HERFD-XANES, PDF和SAXS來研究CoO納米組件的出現，這是非經典結晶納米結構的一個值得注意的例子。鈷前驅體在溶劑熱條件下表現出復雜的氧化還原行為，可以形成CoO，也可以形成Co3O4和金屬鈷顆粒。有趣的是，單個CoO納米顆粒的晶體結構決定了其生長機制。具有巖鹽結構的CoO納米粒子傾向于形成多晶組裝，而纖鋅礦型CoO優先生長為單晶。然而，溶液中有利于結晶為某一相或另一相的具體機制，以及晶體生長和其組裝為超結構的相互依賴性，仍有待解決。
在這里，研究者從Co(III)乙酰丙酮(acac)開始，合成了平均尺寸為58 nm的相純CoO組件，由較小的、多面體形狀的、邊緣的5-7 nm大顆粒組成。研究發現HERFD-XANES使得研究者，能夠跟蹤伴隨溶液中Co3+還原為Co2+的有機金屬前體復合物的重排。PDF通過監測金屬離子和周圍氧原子之間的鍵長變化，揭示了從溶解的Co2+絡合物到巖鹽CoO納米晶體的轉變。PDF和SAXS的結合，最終闡明了結晶生長和組裝的相互依賴性，從而形成最終的形態。
圖2 原位HERFD-XANES研究和MCR-ALS分析中化學成分的測定。
圖3 反應中間體Co(acac)2的結構測定。
展開 
《Acta Materialia》納米孿晶FCC金屬中柱狀晶驅動的塑性與開裂
已有研究表明晶界（GB）滑動對于納米孿晶金屬的影響至關重要，但是目前GB滑動對納米孿晶金屬可塑性的影響尚未得到系統研究。
美國佛蒙特大學的研究人員使用MD模擬來分析純納米孿晶Ag、Cu、Al和Ni塑性變形過程中，孿晶尺寸和金屬類型如何影響位錯和GB滑動的，指出了GB滑動對納米孿晶fcc金屬可塑性和斷裂機理的重要性。相關論文以題為“Columnar grain-driven plasticity and cracking in nano twinned FCC metals”發表在Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116925
研究發現四種金屬中均觀察到了CTB增強作用，λ>5nm時nt-Cu和nt-Ni的應力與TBS具有較大依賴關系。nt fcc金屬中，由于GB滑動導致柱狀晶nt-Ni的應變速率敏感性比其他金屬的應變速率敏感性更大。GB滑動能夠顯著影響金屬的整體塑性變形，nt-Ni的GB滑動更顯著，當nt-Cu、Ag、Al中的應力隨TB間距的減小而線性增加時，由于臨界CTB間距小于6 nm，nt-Ni達到了最大強度極限。當變形量小于2%時，所有金屬的GB滑動基本相同，當變形量在2%-5%時，nt-Ni的可塑性和GB自由體積顯著增加，變形量繼續增大時出現GB裂紋，裂紋類型為含塑性的晶間斷裂，而不是脆性斷裂，這是由于不同區域中微孔的形成和生長。
展開 南洋理工《Chem Mater》：室溫下鈣鈦礦納米晶的精確調控！
室溫合成鈣鈦礦納米晶缺乏通過高溫方法可以獲得的尺寸可調性。
在此，新加坡南洋理工大學
Nripan Mathews教授團隊概述了一種可擴展的方法，利用不同的配體在室溫下對CsPbBr3納米晶體(NCs)的成核和生長進行解耦和控制。通過采用辛基膦酸（OPA）配體來調節臨界半徑和NCs生長速率。隨后，一個更大的二十二烷基二甲基溴化銨配體的加入淬滅了NCs的生長，決定了反應的持續時間。通過管理這三個變量，可以在6.8和13.6 nm之間精確調節NCs直徑。
即使經過徹底的反溶劑純化，所有尺寸的NCs的光致發光量子產率仍保持在80％以上。氫鍵合OPA配體的使用增強了量子約束效應，其特征在于強的，良好分辨的吸收峰。溶液和固態核磁共振光譜證實了純化過程中未結合的配體的有效去除，以及純化NCs的表面上存在OPA配體的氫鍵網絡。總的來說，這種方法有潛力促進從熱載流子動力學研究到光和電驅動器件應用的廣泛未來的努力。相關論文以題為“Precise Control of CsPbBr3 Perovskite Nanocrystal Growth at Room Temperature: Size Tunability and Synthetic Insights”發表在Chem. Mater.期刊上。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.0c04569
近年來，由于鹵化鈣鈦礦型納米晶（NCs）的發射帶寬極窄且具有近統一的光致發光量子產率（PLQY），因此已被確立為優良的發射材料。因此，它們具有促進具有寬色域的高效顯示的潛力。鈣鈦礦前體鹽的相對低成本及其與溶液加工技術的相容性增強了其在此類商業應用中的適用性。
展開 鄭大《CEJ》：首次提出一種在室溫合成鈣鈦礦納米晶的策略！
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721009499
全無機鹵化物鈣鈦礦納米晶體（NCs）因其優異的性能，包括其高的熱穩定性，窄帶發射，高的光致發光量子產率和溶液的可加工性而得到了廣泛的研究。在各種無機鹵化物鈣鈦礦中，CsPbI3 NCs因其理想的帶隙（~1.7 eV）和有效的光吸收而被廣泛用于紅色發光二極管（LEDs），太陽能電池（SCs）和光電探測器（PDs）。此外，基于CsPbI3 NCs的光電器件已顯示出高性能，其表現為SCs的功率轉換效率為17.39％，LEDs的外部量子效率（EQE）為14.8％。但是，這些設備中使用的NCs是通過典型的熱注射方法合成的，該方法需要較高的反應溫度，惰性氣體保護和復雜的操作過程。同時，熱注射導致無法可控合成，并限制了工業應用中NCs的大規模合成。因此，迫切需要開發一種方便的室溫合成方法，因為這些簡化的方法可以促進CsPbI3 NCs在各種光電設備中的使用。
鈣鈦礦CsPbI3 NCs室溫下合成的主要困難是熱不平衡誘導的亞穩態（黑色）到穩定（黃色）相變。形成的CsPbI3 NCs在高水分和氧氣以及熱或極性溶劑的條件下易于從黑色鈣鈦礦相（α-立方，β-四方和γ-斜方晶）轉變為熱力學穩定的黃色非鈣鈦礦相（δ-斜方晶）。而且，由于Cs+的體積較小，很難維持形成周期性鈣鈦礦結構所需的[PbI6]4-八面體，并且在晶體生長過程中出現了不需要的八面體畸變。因此，控制鈣鈦礦相CsPbI3 NCs的合成過程中的熱平衡是必要的。
通過摻雜和缺陷控制，以及配體或添加劑的輔助，在低溫和室溫下制備了鈣鈦礦相CsPbI3薄膜。
展開 重大《Chem Commun》：一種簡易的合成納米晶固態電解質新方法
以活性醇鹽、丁氧化鋯和正硅酸乙酯為原料，采用改進的經典St?ber法合成了ZrO2–SiO2二元納米顆粒，經煅燒后得到的ZrO2–SiO2相當均勻，并形成了具有活性的超細二元顆粒混合物。使用ZrO2–SiO2二元納米粒子有利于其與NaNO3和NH4H2PO4的反應制備NASICON納米粉體。最后，通過燒結獲得致密的納米
Na3Zr2Si2PO12
固態電解質。
圖1. 燒結合成致密納米晶Na3Zr2Si2PO12的示意圖。
圖
2. ZrO2–SiO2前驅體的(a) XRD圖 (b)掃描電鏡圖像。(c) TEM圖。(d) HR-TEM圖。(e)選區電子衍射圖。(f) EDX元素mapping圖。
圖
3. 納米晶Na3Zr2Si2PO12的頂部SEM圖。(b)100粒粒度統計。(c)納米晶Na3Zr2Si2PO12的SEM斷面圖。(d)納米粒和微米粒Na3Zr2Si2PO12的電化學阻抗譜。(e)Na/Na3Zr2Si2PO12/Na對稱電池的Nyquist圖。(f) Na/Na3Zr2Si2PO12/Na對稱電池的
恒流循環
。
總的來說，本文所提出的焙燒ZrO2–SiO2前驅體法可制備平均晶粒尺寸為546±58 nm的致密納米Na3Zr2Si2PO12固態電解質。該合成方法在900 °C下合成超細納米粉體，在1260 °C合成致密納米晶粒Na3Zr2Si2PO12固態電解質，其電導率為1.02×10-3S/cm，25 °C時界面電阻為35 Ω·cm2。恒流循環測試表明Na/納米晶Na3Zr2Si2PO12/Na對稱電池在電流密度為10 μA/cm2時具有穩定的2 mV電位，表明其具有低的界面阻抗。
展開 